CN103647512B - 一种超宽带信号频段合成电路及合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超宽带信号频段合成电路及合成方法，在平板状绝缘介质基片上设置有微带线形式的低频信号输入端、高频信号输入端和信号频段合成输出端；所述平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述薄膜电容下电极直接连通低频信号输入端和信号频段合成输出端；第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入信号中心频率的四分之一导波波长。采用上述方案，解决了超宽带信号频段合成过程中存的频谱恶化、差损大等技术难题，且具有制作工艺简单，易于与其他电路混合集成等特点。
Description
技术领域
本发明属于信号频段合成技术领域，尤其涉及的是一种超宽带信号频段合成电路及合成方法。
背景技术
自20世纪80年代以来，现代通信、电子对抗等技术对微波毫米波信号源的频率稳定度、频谱纯度及频率范围提出了越来越高的要求，信号源的频率范围越来越宽，两端正不断向更低频率(DC)和更高频率扩展，如Agilent公司的8257D信号源频率范围已经覆盖250kHz-70GHz，10MHz以上信号输出时频谱纯度优于-45dBc。单个振荡器根本无法满足要求，要实现如此超宽带、高纯频谱信号的输出，必须借助于超宽带信号频段合成电路。目前多采用混频、分频、倍频等方式得到相应的窄频段信号，放大、滤波等相应处理后经宽带信号合成电路将上述两段或多段信号频段合成输出，以实现信号源宽带输出的目的。目前，信号频段合成一般采用电子开关（集成或分立的PIN二极管或FET开关）或机械开关实现，如图1所示；也可以采用功分器（为实现宽带信号频段合成，一般采用等电阻功分器）、耦合器等实现信号频段合成，示意图分别如图2、图3所示。
图1所示的信号频段合成通过开关切换实现，当开关为机械开关时，由于其开关切换速度有限，不能用于合成信号的扫频输出；当使用集成或分立的PIN二极管或FET开关时，即使在频率低端，损耗也较大，随着频率的提高，损耗会进一步增大；承受功率有限，且会恶化输入信号的频谱。
图2所示的信号频段合成通过电阻功分器实现，为实现宽频段信号合 成一般采用等电阻功分器时，此时两路输入信号损耗都较大，理论损耗6dB。
图3所示的信号频段合成通过定向耦合器，输入信号1经耦合器的主路直接输出，输入信号2耦合至主路输出，从而实现信号频段合成。输入信号1的频率高端及输入信号2的损耗为耦合器的耦合度，损耗较大。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超宽带信号频段合成电路及合成方法。
本发明的技术方案如下：
一种超宽带信号频段合成电路，其中，在平板状绝缘介质基片上设置有低频信号输入端、高频信号输入端和信号频段合成输出端；所述平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述微带线还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；所述薄膜电容下电极直接连通低频信号输入端和信号频段合成输出端；第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入信号中心频率的四分之一导波波长。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述平板状绝缘介质基片为纯度99.6%以上的氧化铝基片或纯度98%的氮化铝基片或蓝宝石基片；所述平板状绝缘介质基片的厚度为0.1mm～1mm或0.254±0.1mm。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述微带线和所述薄膜电容通过薄膜光刻工艺实现。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述薄膜电容的介质材料为聚酰亚胺或氮化硅。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述第一PIN二极管及第二 PIN二极管的截止频率为10倍-15倍最高工作频率。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管的自身串联电阻值为0-5欧姆。
所述的超宽带信号频段合成电路，其中，所述高频信号输入端的输入信号为0.1-1倍一个频程。
所述的超宽带信号频段合成电路的合成方法，其中，包括如下步骤：
步骤1：设置平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述薄膜电容上电极还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；
步骤2：设置输入信号1的频率范围为DC-F1、输入信号2的频率范围为F1-F2，将输入信号1及输入信号2合成为一路信号输出，输出信号的频率范围为DC-F2；
步骤3：当波段控制信号S为低电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管截止，输入信号1经薄膜电容的下电极直接输出，从而使得低频段信号最低频率从DC开始；当波段控制信号S为高电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管导通，输入信号2经第一PIN二极管输出。
所述的合成方法，其中，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入信号中心频率的四分之一导波波长。
所述的合成方法，其中，所述薄膜电容采用金属-介质-金属结构，所述薄膜电容的下电极采用标准微带线，所述薄膜电容的上电极宽度为标准微带线五分之四，第一PIN二极管及第二PIN二极管通过薄膜电容上电极实现串联连接，所述薄膜电容的介质采用聚酰亚胺或氮化硅。
采用上述方案，通过PIN二极管及微波信号的传输特性实现超宽带信号频段合成。整体电路采用微带线实现，解决了超宽带信号频段合成过程中存的频谱恶化、差损大等技术难题，且具有制作工艺简单，易于与其他 电路混合集成等特点，可广泛应用于微波毫米波测试仪器的信号发生模块中。
附图说明
图1为现有技术中采用开关实现信号频段合成输出示意图。
图2为现有技术中采用功分器实现信号频段合成输出示意图。
图3为现有技术中采用耦合器实现信号频段合成输出示意图。
图4为本发明超宽带信号频段合成电路图。
图5为本发明超宽带信号频段合成原理示意图。
图6为本发明采用微带线和分立的PIN二极管实现的信号频段合成电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明提出了一种超宽带信号频段合成方法，如图4所示，整体电路采用微带线20和分立的PIN二极管V1、V2实现，图中右半部分“Γ”形微带线作为一个整体为薄膜电容10的下电极，“Γ”形微带线上的矩形部分为薄膜电容10的上电极，上下电极之间为绝缘介质材料。其原理示意图如图5所示。通过控制PIN二极管的通断并利用微波信号的传输特性，本发明电路可以将输入信号1（频率范围：DC-F1）、输入信号2（频率范围：F1-F2）两路信号合成为一路输出（频率范围：DC-F2）。本发明可用于宽带微波毫米波信号源、矢量网络分析仪等电子测量仪器中的信号产生模块。
具体工作原理如下：
当波段控制信号S为低电平时，PIN二极管V1、V2截止，输入信号1经薄膜电容下电极直接输出，由于低频段信号通路物理上是直接连通的， 从而使得低频段信号最低频率可以从DC开始，整个通路损耗极小，且不会带来输入信号的频谱恶化。
当波段控制信号S为高电平时，PIN二极管V1、V2导通，输入信号2经PIN二极管V1输出，合理选择两二极管之间的长度C，使PIN二极管V2接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入但输入信号中心频率（(F1+F2)/2）的四分之一导波波长（λg/4），此时二极管V2处的短路对主路传输来说相当于开路，使得输入信号1至合成信号输出端损耗很小。
薄膜电容采用金属-介质-金属（MIM）结构，下电极采用标准微带线，上电极宽度略窄于标准微带线，介质采用聚酰亚胺或氮化硅，整个电路采用薄膜工艺实现。
本发明中还提供一种超宽带信号频段合成电路，如图6所示，包括：平板状的绝缘介质基片101；低频信号输入端102、高频信息输入端103和信号频段合成输出端104，形成于所述的介质基片之上；集成于微带线的薄膜电容105，形成于所述的介质基片之上；2个连接于微带线上的PIN二极管106。PIN二极管V2接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输
入端输入信号中心频率（(F1+F2)/2）的四分之一导波波长（λg/4）。
该超宽带信号频段合成电路所选用的介质基片材料，为纯度99.6%以上的氧化铝基片，基片厚度为：0.254±0.1mm。
该超宽带信号频段合成电路，包括微带线和薄膜电容在内的图形是通过薄膜光刻工艺实现的，保证了图形的精度。
该超宽带信号频段合成电路中所形成的薄膜电容介质材料为聚酰亚胺，聚酰亚胺成型简单，更具有成本优势。
该超宽带信号频段合成电路中连接薄膜电容的两个PIN二极管的截止频率至少应大于10倍的最高工作频率；。
该超宽带信号频段合成电路中连接薄膜电容的两个PIN二极管的串联 电阻应小于5欧姆；
该超宽带信号频段合成电路中PIN二极管V2接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入但输入信号中心频率（(F1+F2)/2）的四分之一导波波长（λg/4）。
实施例2
在上述实施例的基础上，进一步，如图4-图5所示，提供一种超宽带信号频段合成电路，其中，在平板状绝缘介质基片上设置有低频信号输入端、高频信号输入端和信号频段合成输出端；所述平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述微带线还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；所述薄膜电容下电极直接连通低频信号输入端和信号频段合成输出端；第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入信号中心频率的四分之一导波波长。
所述平板状绝缘介质基片为纯度99.6%以上的氧化铝基片或纯度98%的氮化铝基片或蓝宝石基片；所述平板状绝缘介质基片的厚度为0.1mm～1mm或0.254±0.1mm。
所述微带线和所述薄膜电容通过薄膜光刻工艺实现。
所述薄膜电容的介质材料为聚酰亚胺或氮化硅。
所述第一PIN二极管及第二PIN二极管的截止频率为10倍-15倍最高工作频率。
所述第一PIN二极管及第二PIN二极管的自身串联电阻值为0-5欧姆。
所述高频信号输入端的输入信号为0.1-1倍一个频程。
一种超宽带信号频段合成电路的合成方法，其中，包括如下步骤：
步骤1：设置平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述薄膜电容上电极还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；
步骤2：设置输入信号1的频率范围为DC-F1、输入信号2的频率范围 为F1-F2，将输入信号1及输入信号2合成为一路信号输出，输出信号的频率范围为DC-F2；
步骤3：当波段控制信号S为低电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管截止，输入信号1经薄膜电容的下电极直接输出，从而使得低频段信号最低频率从DC开始；当波段控制信号S为高电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管导通，输入信号2经第一PIN二极管输出。
所述的合成方法，其中，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为高频信号输入信号中心频率的四分之一导波波长。
所述的合成方法，其中，所述薄膜电容采用金属-介质-金属结构，所述薄膜电容的下电极采用标准微带线，所述薄膜电容的上电极宽度为标准微带线五分之四，所述薄膜电容的介质采用聚酰亚胺或氮化硅。
综上所述，本发明通过PIN二极管及电磁波的传播特性实现超宽带信号频段合成，整体电路采用微带线实现，解决了超宽带信号频段合成过程中存的谐波恶化、差损大等技术难题，且具有制作工艺简单，易于与其他电路混合集成等特点，可广泛应用于微波毫米波测试仪器的信号发生模块中。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超宽带信号频段合成电路，其特征在于，在平板状绝缘介质基片上设置有微带线形式的低频信号输入端、高频信号输入端和信号频段合成输出端；所述平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述微带线还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；所述薄膜电容下电极直接连通低频信号输入端和信号频段合成输出端；第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为输入高频信号的中心频率信号的四分之一导波波长；高频信号输入端连接到第一PIN二极管的阳极，第一PIN二极管的阴极连接到薄膜电容的上电极，第二PIN二极管的阳极和薄膜电容的上电极连接，第二PIN二极管的阴极接地。
2.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述平板状绝缘介质基片为纯度99.6％以上的氧化铝基片或纯度98％的氮化铝基片或蓝宝石基片；所述平板状绝缘介质基片的厚度为0.1mm～1mm或0.254±0.1mm。
3.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述微带线和所述薄膜电容通过薄膜光刻工艺实现。
4.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述薄膜电容的介质材料为聚酰亚胺或氮化硅。
5.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管的截止频率为10倍-15倍最高工作频率。
6.如权利要求5所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管的自身串联电阻值为0-5欧姆。
7.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路，其特征在于，所述高频信号输入端的输入信号为0.1-1倍一个频程。
8.如权利要求1所述的超宽带信号频段合成电路的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设置平板状绝缘介质基片上还设置有集成于微带线中的薄膜电容；所述薄膜电容上电极还设置连接第一PIN二极管及第二PIN二极管；
步骤2：设置输入信号1的频率范围为DC-F1、输入信号2的频率范围为F1-F2，将输入信号1及输入信号2合成为一路信号输出，输出信号的频率范围为DC-F2；
步骤3：当波段控制信号S为低电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管截止，输入信号1经薄膜电容的下电极直接输出，从而使得低频段信号最低频率从DC开始；当波段控制信号S为高电平时，第一PIN二极管及第二PIN二极管导通，输入信号2经第一PIN二极管输出。
9.如权利要求8所述的合成方法，其特征在于，所述第一PIN二极管及第二PIN二极管通过所述薄膜电容上电极实现串联连接；所述第二PIN二极管接地端与信号频段合成输出端微带线中心距离为输入高频信号的中心频率信号的四分之一导波波长。
10.如权利要求8所述的合成方法，其特征在于，所述薄膜电容采用金属-介质-金属结构，所述薄膜电容的下电极采用标准微带线，所述薄膜电容的上电极宽度为标准微带线五分之四，所述薄膜电容的介质采用聚酰亚胺或氮化硅。
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